环境微生物学研究热点

环境工程微生物学研究热点摘要随着社会的高速发展，环境污染日益严重。微生物学在环境方面投入的研究越来越多。它作为一种新型的污染处理材料，应用在污水、废气的处理，土壤污染治理等方面。环境生物技术优于其它环境技术的显著特点在于该技术是“污染物消除技术而不是污染物分离转移技术”，其发展与应用倍受关注，已成为当今环境保护中的主流技术，长期以来在环境污染控制中一直起着极为重要的作用。由于很多传统的微生物处理方法效果不够理想，为了达到更好的处理效果，国内外开展了很多的研究工作，其重点主要有以下几个方面。1.高效环境微生物制剂的开发与应用1.1环境微生物制剂的开发环境微生物制剂的开发，可以追溯到20世纪70年代，爱尔兰国际生化试剂有限公司开发了系列产品(Biolyte20～80)，可分别用于城市污水、含油脂废水、制浆废水、芳烃废水的处理。随后，80年代美国克里夫兰大学与俄亥俄州辛辛那提的环境科学总公司共同研制成微生物活菌液(LLMO)，由七类细菌组成(芽孢杆菌、假单胞菌、纤维单胞菌、肠杆菌、Ⅱ硝化杆菌、硝化细菌、红假单胞菌)。把这种活的混合菌液投入曝气塘中处理城市废水，火大改进了污泥的沉降性，降低污泥形成量，提高BOD和COD的去除能力。日本流球大学比嘉照夫教授研制出一种新型复合微生物菌剂称EM菌剂，据称该菌剂由光合细菌、放线菌、酵母菌、乳酸菌等10属80多种微生物组成，可广泛应用于去除粪便和垃圾的臭味，并作为农业肥料、饲料和水产、养殖的添加剂宣传得无所不能。近年来国外内开发的各种微生物制剂品种繁多，可谓琳琅满目。1.2工业废水及城市生活污水的生物强化处理技术生物强化技术(Bioaugmentation)是指在生物处理系统中，通过投加具有特定功能的微生物、营养物或基质类似物，达到提高废水处理效果的手段和方法。其中投加高效降解微生物是最常见的生物强化技术。应用生物强化技术时要综合考虑水质、水量、投菌量、营养物质、消耗氧量、反应器类型、水力停留时间、高效菌的投加方式等诸多因素。菌量、营养物和基质类似物的投加量是生物强化系统设计的重要参数。随着投菌量的增加，一般强化效果会提高，但投菌量过大，废水处理成本则会升高。因此，投菌量要根据废水中目标降解物的含量和要达到的处理水平来决定，一般在系统启动时，采用重投菌，投菌量比较大，系统稳定后，投菌量可为启动时的1／10～1／8。目前主要针对处理系统的COD(BOD)、总氮和总磷负荷，以及含有特殊污染物的情况采用生物强化技术。1.3生物修复生物修复(Bioremediation)或称生物整治是20世纪80年代中期以来出现和发展的清除和治理环境污染的生物-T程技术，生物修复是利用处理系统中微生物的代谢作用减少污染现场有害物质的浓度或使其完全无害化，主要特点是可以对大面积的环境污染进行治理，使之得到完全恢复，达到污染前的状况，具有无二次污染、成本低等优点。生物修复是采用诸如提高通气效率、补充营养(对石油污染而言，主要是补充N、P)，投加优良菌种、改善环境条件等办法来提高微生物的代谢作用和降解活性水平，以促进对污染物的降解速度，从而达到治理污染环境的目的。生物修复最初阶段的主要处理对象是环境中的石油污染和农药污染。最成功的例子是清除AlaskaExxonValdez的海岸石油污染。目前，关于生物修复的研究及应用，除了继续进行石油污染环境和农药污染环境之外，还扩展到了其他污染环境，如黄曲霉毒素污染的修复，海岸线污染的修复，地下水，重金属污染的修复，应用范围不断扩展，使许多污染环境得到了修复。我国的生物修复技术近年来也得剑了飞速的发展，许多单位都开展了生物修复的基础与应用研究。国家对污染环境的生物修复也非常重视，科技部相继立项了“农田重金属污染的生物修复”、“石油污染的生物修复”以及“多环芳烃污染环境的生物修复”国家“863”重点项目，以期为我国的污染环境治理提供技术保障和工艺措施，这些研究项目的实施，将为生物修复技术的推广应用，提供理论指导和示范的作用。1．4水产养殖微生物制荆在水产养殖等领域具有广阔的应用前景，其中使用到的微生物类型有三大类，主要应用在水族馆、养鱼工场、育苗工厂等水体的封闭环境中。主要的微生物有硝化杆菌、反硝化杆菌、氨化细菌、芽孢杆菌、短杆菌、假单胞菌、光合细菌等。应用在水产养殖中的微生物制剂均包含净水微生物，能有效去除水中饵料残渣，养殖产品的代谢废物，净化水质，提高成活率。可以达到：1)去除COD；2)硝化反硝化作用除氨氮，氨氮对于养殖动物非常有害，氨氮的去除处理也是今后水产养殖中的重点工作内容；3)杀灭病毒，枯草芽孢杆菌等可以分泌一种分解病毒外壳的酶，可以有效地灭杀水体中或水生动物表面的病毒，减少病害；4)降解农药；5)调节养殖水体的微生物种群与生态结构，抑制有害微生物的生长繁殖，从而达到减少养殖动物的疾病；6)提高免疫力，某些微生物，如光合细菌，细胞中含有丰富的细菌叶绿素B、类胡萝卜素、叶酸、维生素B12和辅酶Q等生理活性物质，这些活性物质能有效消除养殖产品(特别是鱼、贝等水产品)体内的自由基，提高代谢能力和免疫力，减少病害的发病；7)促进消化和吸收，酵母与乳酸杆菌分泌多种酶，改善养殖产品的肠道微环境，促进饲料的消化和吸收，提高饲料利用率，间接的降低了水体的污染程度；8)辅助饵料，自然界中某些微生物具有很高的营养价值，如酵母、光合细菌等，其中光合细菌的细胞中蛋白质含量非常高，超过细胞干重的60％，并且氨基酸种类齐全，含有所有必需氨基酸，可以作为动物蛋白的替代品直接作为饵料被幼体摄食(贝类幼体和对虾的蚤状幼体阶段通常直接摄食光合细菌)。2.氨氧化古菌20世纪70年代末期，Woese等学者根据核糖体小亚基的核酸序列(smallsubunitrRNA)的系统发育关系，重新将所有生物划分为三大生物域，包括真核生物、真细菌和古菌。其中，古菌又可分为广古菌和泉古菌两大类，除此之外，还存在一类古老的嗜热古菌一初生古菌。早期研究发现，古菌多分布于海底热液、陆地热泉、火山口以及盐碱湖等极端环境。直到1992年，Delong和Fuhrman等才首次发现了海洋浮游古茵，其在海洋生态系统的分布和生态作用才逐渐被人们所关注哺。随后，生态学家又陆续在土壤、淡水湖泊、沉积物以及动物肠道等生境中发现了古菌，这说明古菌在常温生态系统（相对于热泉等高温极端环境）中的作用同样不可忽视。最近，环境基因组学和常温型古菌分离培养方面的突破性进展首次揭示了常温型泉古菌中的一个功能类群——氨氧化古菌(ammonia—oxidizingarchaea，AOA)，为人们认识常温型古菌的生态功能供了新的视野。AOA与氨氧化细菌(ammonia-oxidizingbacteria，AOB)的功能类似，即可将NH3氧化成NO2，并利用此反应中产成的化学能。AOA的室内生理和野外生态学叫的实验证实了AOA的氨氧化功能．由于常温型泉古菌是生态系统中的一个极为重要的组成部分，在数量上远远高于自然环境中的AOB。因此，AOA在生态系统的物质和能量循环中占据了重要地位。这种新类型的氨氧化微生物的“出现”，使得我们必须重新审视常温型古菌对生物地球化学循环的贡献及其在生态系统中扮演的角色．AOA的发现打破了AOB在氨氧化过程中“一枝独秀”的格局，迅速成为了环境微生物生态学功能类群方面的研究热点之一。目前，国际上主要针对AOA的生态分布、遗传多样性、丰度、与环境因子的联系，以及生态功能等方面开展了一系列研究。纯系AOA菌株的分离、AOA的氨氧化机理、AOA的原位氨氧化速率、AOA的原位生态功能……AOA的种种为环境微生物学带来了不少疑难、思路、以及新的方向。目前，环境微生物生态学的主要技术手段已经从单纯的室内培养发展到目前的环境基因组学比较基因组学、环境蛋白组学、转录组学等新兴组学方法。然而对微生物在生态系统中的功能和作用，最终还需要从原位生态功能的角度上去探讨，这将有助于我们更深刻的理解全球的生物地球化学循环过程。因此，尚有待于结合新技术、新方法去进一步研究。总之，AOA研究是环境微生物生态学研究的一个新领域。AOA的深入研究将使我们对全球生态系统能流、物质循环的过程机制产生新的认识、对学科发展也将起到推动作用，并会为环境微生物资源开发利用作出贡献。高效菌种的选育、高效菌种的生理生化特性及机制的阐述、代谢组学及蛋白质组学研究、基因-T程菌的构建、微生物制剂的开发、生物强化技术、生物修复技术、微生物制剂在水产养殖中的应用、高效菌在处理系统的跟踪与功能分析、以及对氨氧化古菌的研究等等，都是环境微生物学所研究的热点，而还不止这些。这些热点需要我们去主动关注并了解。参考文献1.刘志培，刘双江（2007）氨氧化古菌——环境微生物生态学研究的一个前沿热点中国科学院微生物研究所，北京，1001012.胡安谊，焦念志（2009）环境微生物技术的研究热点与展望厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室，厦门，361005